고등학교 1~2학년 (15-17세)

원자 모형의 변천

Atomic Models

원자 모형은 새로운 실험 결과가 나올 때마다 그것을 설명할 수 있도록 바뀌어 왔어요. 톰슨은 전자를 발견해 양전하 속에 전자가 박힌 모형을, 러더퍼드는 알파 입자 산란 실험으로 원자핵이 있는 모형을, 보어는 수소의 선 스펙트럼을 설명하는 궤도 모형을 내놓았어요. 보어 모형에서 전자의 에너지는 주양자수 n 에 따라 띄엄띄엄한 값만 가지고, 전자가 높은 준위에서 낮은 준위로 옮겨 갈 때 그 차이만큼의 에너지를 가진 빛이 나와요. 그림에서 주양자수 n 을 바꾸면 전자가 도는 궤도와 에너지 준위, n = 1 로 떨어질 때 나오는 빛의 에너지가 함께 바뀌어요.

원자 모형은 왜 바뀌었을까

💡 새 실험 결과에 맞춰 바뀐 모형

①톰슨: 전자를 발견해, 양전하 덩어리 속에 전자가 박혀 있는 모형을 제안했다

②러더퍼드: 알파 입자 산란 실험으로 원자 중심의 작고 무거운 원자핵을 발견했다

③보어: 수소의 선 스펙트럼을 설명하려고, 전자가 정해진 궤도에서만 돈다는 모형을 세웠다

④현대: 전자의 파동성을 반영해, 전자가 있을 확률을 나타내는 오비탈 모형을 쓴다

⑤보어 모형은 수소처럼 전자가 하나인 원자만 잘 설명하고, 전자가 여러 개인 원자는 설명하지 못한다

보어 모형과 에너지 준위

주양자수 n2

수소 원자의 에너지 준위

E_n = −13.6n² [eV]

n 이 클수록 에너지가 높아져 0 에 가까워진다

전자가 전이할 때 나오는 빛의 에너지

ΔE = E_높은 − E_낮은 = hν

h 는 플랑크 상수, ν 는 빛의 진동수다

🔍 그림 읽기

①n = 1 은 바닥상태로 E = −13.6 eV 이고 가장 안정하다

②n = 2 는 첫 번째 들뜬상태로 E = −3.4 eV 다

③n 이 커질수록 궤도는 n² 에 비례해 커지고, 에너지 준위 사이의 간격은 좁아진다

④n → ∞ 이면 E → 0 이 되어 전자가 원자를 떠난다(이온화)

선 스펙트럼과 전자 전이

광자의 에너지

E = hν = hcλ

h = 6.626×10⁻³⁴ J·s, c = 3×10⁸ m/s

💡 전자 전이와 빛

①전자가 높은 준위에서 낮은 준위로 옮겨 가면 그 에너지 차이만큼의 빛을 내놓는다

②에너지 차이가 클수록 빛의 진동수가 크고 파장은 짧다

③수소의 선 스펙트럼은 에너지 준위가 띄엄띄엄 떨어져 있다는 증거다

④n = 1 로 떨어지는 전이는 자외선을 낸다(라이먼 계열)

⑤n = 2 로 떨어지는 전이는 가시광선을 낸다(발머 계열)

직접 풀기

예제 1

러더퍼드의 알파(α) 입자 산란 실험에서 대부분의 입자는 직진했지만 일부는 큰 각도로 튕겨 나왔다. 이로부터 알 수 있는 원자의 구조는?

대부분의 입자가 휘지 않고 지나간 사실을 해석한다.

대부분 직진 → 원자 안은 대부분 빈 공간이다

일부 입자가 큰 각도로 튕겨 나온 사실을 해석한다.

일부가 큰 각도로 산란 → 작고 무거운 (+) 원자핵이 있다

▸ 원자 중심에 있는 작고 무거운 (+) 원자핵의 발견

원자의 질량과 양전하가 아주 작은 중심에 모여 있어야만 알파 입자가 큰 각도로 튕겨 나오는 일을 설명할 수 있다.

예제 2

보어 모형이 톰슨·러더퍼드 모형과 다르게 설명할 수 있었던 현상은?

전자가 아무 데나 있는 것이 아니라 정해진 궤도에만 있다고 가정한다.

전자는 정해진 에너지 준위(궤도)에만 있다

전자가 준위 사이를 옮겨 갈 때 빛을 내놓거나 흡수한다고 본다.

준위 사이 전이 → 정해진 진동수의 빛 방출·흡수 → 선 스펙트럼

▸ 수소 원자의 선 스펙트럼

에너지 준위가 띄엄띄엄 정해져 있어야 빛도 정해진 에너지로만 나와, 선 스펙트럼이 불연속으로 나타난다.

정리

보어 모형의 에너지 준위

E_n = −13.6n² [eV]

수소 원자에 있는 전자의 에너지

전이 에너지

ΔE = 13.6(1n_f² - 1n_i²) [eV]

n_i 에서 n_f 로 전이할 때의 에너지 변화

2021 평가원 모평 화학Ⅰ 유형 변형

수소 원자의 불연속적인 선 스펙트럼을 처음으로 설명한 원자 모형은?

①돌턴 모형

②톰슨 모형

③러더퍼드 모형

④보어 모형

⑤현대의 오비탈 모형

▸ ④ 보어 모형

톰슨 모형과 러더퍼드 모형으로는 선 스펙트럼을 설명할 수 없다.

보어는 전자의 에너지 준위를 양자화해 선 스펙트럼을 설명했다.

보어: 에너지 준위의 양자화 → 불연속 선 스펙트럼 설명

🎯 시험 포인트

①원자 모형의 변천 순서: 톰슨 → 러더퍼드 → 보어 → 현대 모형

②보어 모형은 전자가 하나인 수소 원자만 설명할 수 있다

③수소 원자의 에너지 준위 Eₙ = −13.6/n² eV

④선 스펙트럼은 에너지 준위가 불연속이라는 증거다

⑤바닥상태 n = 1 이 에너지가 가장 낮아 가장 안정하다

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마지막 수정 2026-10-17

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